매우 전문적인 질문을 하셨네요! 현직 동일계 분야 철도종사자도 계략은 알지만 구체적으로 상술할려면 사실상 용이하지 않는 것이 현실이다. 교통부문 중 철도는 타 육상교통에 비해 대량수송과 경제성 그리고 안전과 환경친화적인 면에서 비교우위를 차지하고 있다. 철도는 자동차보다 약 30배, 비행기보다 4배, 해운보다 1백배의 안전도를 갖고 있는 것으로 나타나 있다. 철도가 이 처럼 안전을 확보할 수 있는 것은 기계나 장치가 고장이 발생하고 취급직원이 실수를 범하더라도 곧 바로 사고로 이어지는 것을 막기 위한 Trans Lock System과 Fail Safe System등의 안전시스템이 바탕을 이루고 있기 때문이다. 이런 안전 시스템은 신호연동장치와 같은 Hardware 뿐만 아니라 취급자가 취급하는 Software까지 철도안전시스템의 기초를 이루고 있기 때문이다. 여기서는 철도안전에 있어 가장 중요한 열차제동시스템을 중심으로 철도안전시스템에 대해 살펴보고자 한다. 1. 열차제동 가. 열차제동장치에 요구되는 조건 주행중인 열차의 속도를 낮추거나 정차시키기 위한 기능을 하는 열차제동장치에 요구되는 주요사항은 다음과 같다. (1) 제동작용은 열차 편성 전차량에 동시에 이루어져야 한다. 열차에 편성된 전.후부 차량의 제동과 완해작용이 시차가 발생하면 차량에 작용하는 힘의 불균형(unbalance)으로 인하여 심한 충격이 발생하게 되고 심하면 열차가 분리되거나 차량의 부상 탈선의 원인이 되므로 제동작용은 동시에 이루어지지 않으면 안된다. (2) 위험이 있을 때는 기관차의 기관사나 객차의 직원이나 승객이 승차한 차량 어디서나 열차를 정지시킬 수 있어야 한다. 열차는 여러차량으로 편성되어 있어 편성차량이 길때는 후부차량에서 발생한 위험을 맨앞에 있는 기관사가 확인하기가 어렵게 된다. 따라서 위급한 경우에는 후부차량에 승차한 어느 누구라도 열차를 비상정차 시킬 수 있어야 한다. 따라서 객차나 화차에는 차장변 등 비상변이 설치되어 있다. (3) 열차가 운행중에 분리가 됐을 때는 자동적으로 전 차량에 제동이 걸려 정차할 수 있어야 한다. 운행중인 열차가 분리되면 기관차가 연결되어 있지 않은 후부차량이 제어가 불가능한 상태가 되어서는 안된다. 따라서 열차가 분리되었을 때는 전차량에 제동이 걸려야 한다. (4) 제동을 체결할 때 차륜과 레일사이에 활주(Skid)가 발생하지 않아야 한다. 제동작용은 차량이 갖고 있는 운동에너지를 차륜 또는 디스크와 브레이크 슈(Shoe) 사이에서 마찰을 이용한 열에너지로 변환시키는 작용이다. 제동력이 작으면 그만큼 제동거리는 길어지게 되고, 제동력이 너무 크면 차륜과 브레이크 슈의 마찰이 멈춰 차륜이 정지된체로 레일위를 끌려가는 활주가 일어나 마찰계수가 급격히 감소되어 제동거리는 길어질 뿐만 아니라, 차륜이 찰상되어 편마모가 되므로 제동력은 크되 점착력보다 커서는 안된다. 나. 열차제동의 분류 열차제동장치는 그 매개체에 따라 유체, 전기, 전자, 기계의 힘을 주로 이용하고 있으며 이를 다음과 같이 분류 된다. ㅇ 유체 : 공기제동, 유압제동, 증기제동, 진공제동 ㅇ 전기.전자 : 발전제동, 전력회생제동, 와류제동 ㅇ 기계 : 수용(Hand)제동 여기서는 열차제동의 주종을 이루는 공기제동과 전기제동에 대해 살펴보자. (1) 공기제동 공기제동은 공기압축기에서 생성된 압축공기를 이용하는 제동장치로서 열차제동장치의 표준으로 가장 널리 사용하고 있는 제동장치이다. 공기제동은 작용원리에 따라 크게 직통제동과 관통제동으로 나뉘어 진다. 직통제동은 제동핸들 이동에 따라 주공기통(Main reservoir)에 저장된 압력공기가 직통관을 통하여 곧 바로 제동통으로 들어가 제동피스톤을 밀어 브레이크 슈가 차륜을 압착시켜 제동작용이 이루어지도록 하는 간단한 원리이다. 구조가 간단하고 제어가 용이한 이점이 있으나 차량이 연결된 위치에 따라 제동작용의 시차가 발생하고, 열차가 분리되었을 때 제동기능이 상실되는 문제점이 있다. 요즘은 전동차 등 일부차량에 전자직통제동을 사용하고 있으나 그렇더라도 반드시 관통공기제동을 부가하여 직통제동의 단점을 보완하고 있다. 다음 관통제동(자동제동)은 주공기통의 압력공기를 평상시 제동관(Brake Pipe) Line을 통하여 별도로 마련된 보조공기통 또는 공급공기통에 채워 두었다가 의도적이던 의도적이 아니던 제동관의 압력공기를 대기로 배출시키면 배출된 만큼의 압력차에 의해 보조 또는 공급공기통의 압력공기가 제동통(Brake cylinder: BC)으로 유입되어 제동피스톤을 밀어 제동작용이 일어나도록 하는 원리이다. 철도차량에는 이러한 Fail Safe System이 채용되고 있다. (2) 전기제동 전기제동은 달리는 열차가 갖고 있는 운동에너지를 이용하여 동륜에 장착된 견인전동기(Traction Moter)를 일시적으로 발전기로 변환시켜 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 원리이다. 여기서 발전된 전기에너지를 전열기로 방출시키는 것을 발전제동이라 하고 전기철도에서 전차선을 통해 전원측으로 다시보내어 재사용하는 것이 전력회생제동이다. 전기제동은 공기제동에 부가하여 병용해서 사용하며 감속을 목적으로 하고 있는 것이 특징이다. 다. 열차제동의 특징 관통제동을 사용하는 열차제동의 특성을 열거하면 다음과 같다. (1) 제동거리가 길다. 열차제동은 관통공기제동의 특성에 의해 공주시간이 길고 따라서 공주거리를 포함한 제동거리도 길다. 뿐만 아니라 강철인 차륜과 레일의 마찰계수(점착계수)가 낮아 자동차에 비해 제동거리가 긴 것이 특징이다. (2) 제동력은 점착력에 제한을 받는다. 제동력은 커야하나 최대제동력은 점착력보다 커서는 않되는 것이 한계이다. 즉 제동력의 한계치는 레일과 차륜간의 마찰계수와 차륜이 레일을 누르는 힘(점착중량)과의 상승적인 점착력보다 작거나 최소한 같아야 하는 한계를 지니고 있다. (3) 제동거리는 제동초기 속도의 제곱에 비례한다. 열차의 제동거리는 공주거리와 실제동거리를 합한 거리이며 실제동거리는 제동력에 반비례하고 속도의 제곱에 비례하여 길어진다. 참고로 간이 산출식에서 의해 구한 열차의 비상제동거리는 100km/h시 여객열차 500m,화물열차 714m이며, 150km/h시에는 여객 1,125m, 화물 1,607m이다. 또한 경부고속철도의 경우 상용제동시 6,500~7,000m, 비상제동시 3,000~3,500m이다. 2. 열차제동과 안전시스템 가. Fail Safe System 현재 운행하고 있는 객차와 화차로 조성된 모든 열차에는 관통공기제동이 필수적으로 장착되어 있다. 따라서 열차운행중에 분리가 되거나 제동관 계통이 파손되면 기관사의 의지와 상관없이 Fail Safe에 의하여 열차 또는 분리된 차량은 자동적으로 비상정차하게 된다. 더욱 빨리 정차시키기 위해 기관차의 동력 자동차단, 제동관 충기 차단, 레일위에 모래를 뿌리는 등 모든 조치가 동시에 이루어 진다. 이처럼 열차가 분리되거나 제동관 계통에 문제가 발생하면 치명적이기 때문에 안전측으로 동작(정차)하는 것이 Fail Safe System이다. 나. Trans Lock System 운행중인 열차에 위험이 발생했을 때는 기관사 뿐만 아니라 후부차량에서 차장이나 승객도 비상정차가 가능하게 만든 것이 바로 관통공기제동이다. 철도와 같이 사고가 발생하면 그 피해가 크게 나타나므로 어떻게든 사고는 막아야 하기에 후부 객차나 완급차에 차장변 등 비상변을 설치하여 열차에 위험이 발생시는 누구라도 열차를 비상정차 시킬 수 있게 한 것이다. 이처럼 사고 발생과정에 기관사 뿐만 아니라 복수로 사고발생과정에 개입하여 도미노 이론이 일어나지 못하도록 하는 것이 Trans Lock System 이다. 3. 맺음말 이상에서 Fail Safe System 과 Trans Lock System 에 대해 열차제동을 예로 살펴 보았다. 열차제동장치 뿐만 아니라 신호보안장치를 비롯한 시설과 장비, 그리고 취급자에 대한 규정이나 수칙 등에도 이 두가지의 안전시스템을 근간으로 하고 있는 것이다. 열차에는 왜 안전벨트가 필요없는가? 열차는 왜 안전한가? 라는 질문에 조금은 이해가 됐으리라 생각한다.